Alla ricerca di una Teoria del Tutto

Quasi ogni volta che una rivista o un sito internet tentano di stilare una lista dei più grandi scienziati viventi, il fisico Stephen Hawking risulta ai primi posti in classifica. Hawking è certamente uno dei più famosi scienziati ancora attivi. Il suo primo libro destinato al grande pubblico, A Brief History of Time, è stato uno dei più grandi best seller scientifici di tutti i tempi (i maligni suggeriscono che il libro sia anche, data la difficoltà degli argomenti trattati, il libro che il maggior numero di acquirenti non ha terminato). La figura pubblica di Hawking è di grandissimo impatto, data la malattia degenerativa che lo costringe a muoversi su una sedia a rotelle e a comunicare mediante un computer a sintesi vocale. Una misura significativa della sua popolarità è il numero di volte in cui è “apparso” nella serie animata I Simpsons: le sue apparizioni nello show nei panni di se stesso sono state finora quattro, più numerose di quelle di qualsiasi altro scienziato o personaggio pubblico estraneo al mondo dello spettacolo. The Theory of Everything, il film ricavato dalle memorie della prima moglie di Stephen Hawking e uscito in Italia all’inizio del 2015, è stato un successo di pubblico e di critica.
Ma non sempre i grandi scienziati sono anche famosi. In fondo, quante persone hanno sentito nominare Edward Witten, lo scienziato che nel 2004 la rivista Time identificò come il più grande fisico teorico vivente? Stephen Hawking è certamente famoso. Perché è anche un grande scienziato? Quali sono i suoi contributi più importanti?
Diciamo subito che non è facile rispondere a queste domande. L’ambito di ricerca di Hawking è estremamente astratto e difficile. In che modo un insegnante come me può formarsi un’idea sensata del suo lavoro e comunicarla ai suoi studenti? Proverò a rispondere nel seguito di questo articolo, senza pretendere di esprimere un parere autorevole su una materia così vasta e complessa.

Stephen Hawking è anche apparso di persona nella sitcom televisiva The Big Bang Theory. In questo video puoi goderti il divertente siparietto tra lo scienziato inglese e il protagonista della serie, Sheldon Cooper:

Che tipo di scienziato è Stephen Hawking?
Hawking è un fisico teorico specialista in cosmologia. Un fisico teorico lavora sulle ipotesi generali su cui sono basate le principali teorie fisiche, cercando di ricavarne le conseguenze principali, di prevedere nuovi fenomeni non ancora osservati e di risolvere problemi e paradossi. Le teorie sulle quali ha lavorato Hawking sono le più generali fra quelle in cui si articola la fisica, perché l’argomento dei suoi studi, la cosmologia, ha l’oggetto più vasto possibile: l’intero Universo.
È da appena un secolo che la cosmologia esiste come disciplina scientifica. Nel 1915, infatti, Einstein ha pubblicato le equazioni fondamentali della Relatività Generale (ecco un importante anniversario da festeggiare quest’anno!). Prima di allora, nessuna teoria aveva gli strumenti per dire qualcosa di sensato sull’Universo come sistema fisico. Dopo la pubblicazione delle equazioni di Einstein è diventato possibile porsi domande che fino ad allora era rimaste confinate alla mitologia o alla teologia. Qual è la forma generale dell’Universo? L’Universo è sempre esistito? Ha avuto un’evoluzione nel tempo?
Hawking ha dato molti contributi in questo campo. Forse i più importanti sono quelli che ruotano intorno al concetto di singolarità. Secondo un famoso teorema di Hawking, la Relatività Generale di Einstein implica necessariamente che l’Universo abbia origine da una singolarità, cioè da una condizione di densità infinita della materia e dell’energia e di curvatura infinita dello spazio-tempo. In una simile condizione la Relatività Generale smette di essere valida: abbiamo così una teoria che indica la necessità del suo stesso superamento, attraverso un ampliamento delle sue ipotesi o una qualche forma di unificazione con l’altra grande teoria fondamentale della fisica contemporanea, la Meccanica Quantistica.
Il concetto di singolarità è importante anche nello studio di uno dei principali oggetti teorici della Relatività Generale: i buchi neri. Non è un caso, perciò, che molti lavori importanti di Hawking abbiano a che fare con essi.

Che cos’è un buco nero?
Classicamente, i buchi neri sono regioni dello spazio-tempo in cui la gravità è così forte, e varia così violentemente da punto a punto, che ogni traiettoria fisica che superi un certo confine deve necessariamente terminare in una singolarità all’interno del buco nero. Detto grossolanamente: nulla, neppure la luce, può uscire da un buco nero; e qualsiasi cosa superi l’orizzonte degli eventi del buco nero non potrà mai più emergerne nuovamente.
I buchi neri sono previsti dalla Relatività Generale, e oggi crediamo che essi siano relativamente frequenti nell’Universo: un buco nero di massa superiore a mille miliardi di volte quella del nostro Sole dovrebbe trovarsi al centro della Via Lattea, nella costellazione del Sagittario. Lo studio sperimentale di questi oggetti è difficile. Stephen Hawking e altri hanno tentato di studiarli dal punto di vista teorico. In particolare, hanno cercato di determinare come deve comportarsi un buco nero per non violare le leggi della fisica, soprattutto le previsioni della meccanica quantistica e della termodinamica.

Secondo molti commentatori il vero protagonista del film Interstellar, campione d’incassi lo scorso autunno, è Gargantua, il buco attorno al quale ruotano letteralmente le vicende dei personaggi. A questo indirizzo puoi trovare una recensione del film di Cristopher Nolan pubblicata su Aula di Scienze qualche mesa fa.

Quali contributi importanti ha dato Stephen Hawking allo studio dei buchi neri?
Forse il risultato più straordinario dei lavori di Hawking sui buchi neri è la previsione che un buco nero evapori. La previsione nasce dall’idea, fondamentale nella teoria quantistica dei campi, seconda la quale nel vuoto si creano continuamente coppie di particelle e antiparticelle (elettroni e positroni, quark e antiquark, e così via) che subito dopo tornano a distruggersi a vicenda. Se, però, una coppia virtuale di questo tipo si forma proprio sull’orizzonte degli eventi di un buco nero, una delle due particelle viene risucchiata all’interno di esso e non può più annichilarsi con l’altra. Il risultato è che una radiazione di particelle viene continuamente e spontaneamente emessa da ogni buco nero, ricavando energia dalla massa dello stesso buco nero. Questo deve perciò perdere lentamente massa e, su tempi immensamente lunghi, scomparire.
Il fenomeno che abbiamo descritto è noto come radiazione di Hawking e dimostra, fra le altre cose, che i buchi neri devono avere una temperatura, come tutti gli oggetti che irraggiano. A mano a mano che il buco nero evapora, il processo dovrebbe accelerare, fino a dare luogo a una catastrofica esplosione. Gli astronomi stanno cercando le tracce della esplosione dei buchi neri più pesanti e più antichi, che dovrebbero esplodere in un lampo di raggi gamma circa due miliardi e mezzo di anni dopo la loro formazione.

Questa bellissima animazione realizzata dal Guardian illustra i contributi scientifici di Stephen Hawking alla fisica dei buchi neri (e non solo):

In che modo i lavori di Stephen Hawking vanno nella direzione di conciliare la Relatività Generale e la Meccanica Quantistica?
I fisici teorici contemporanei, come Stephen Hawking, sanno bene che le nostre teorie più importanti, la Relatività Generale e la Meccanica Quantistica, sono incompatibili a livello fondamentale. Esistono varie proposte per superare questo conflitto e formulare una teoria quantistica della gravità, ad esempio la teoria delle stringhe o la teoria dei loop quantistici. Per ora nessuna di queste teorie è in grado di prevedere fenomeni realizzabili in laboratorio e quindi controllabili. Di conseguenza non sappiamo ancora se una di esse si rivelerà mai giusta, e tanto meno quale.
Lavori come quelli di Hawking sulla cosmologia e sui buchi neri hanno la grande importanza di fornire un terreno sul quale mettere alla prova, almeno dal punto di vista teorico, le teorie di cui disponiamo. Da questo punto di vista sono particolarmente interessanti i paradossi, o gli apparenti paradossi, a cui una teoria va incontro. La termodinamica dei buchi neri, della quale Hawking è stato un pioniere, ha condotto alla formulazione del cosiddetto paradosso dell’informazione: se i buchi neri evaporano, esplodendo alla fine in catastrofici lampi di luce gamma, dove va a finire l’informazione legata alla materia contenuta in essi? (La formulazione precisa del paradosso è più complicata di così, e coinvolge l’evoluzione nel tempo della funzione d’onda delle particelle precipitate in un buco nero.)
Il paradosso dell’informazione ha già prodotto una vasta letteratura tecnica e, circostanza divertente, alcune famose scommesse. In effetti, Hawking ha scommesso spesso con altri fisici teorici sulla soluzione dei paradossi messi in luce dai suoi lavori. Uno dei fondatori della teoria delle stringhe, il fisico teorico americano Leonard Susskind, ha raccontato la sua battaglia teorica con Hawking e la sua personale proposta di soluzione (legata a un’altra ipotesi generale sull’Universo, il principio olografico) in un libro di successo: La guerra dei buchi neri: come ho lottato con Stephen Hawking per fare del mondo un posto più sicuro per la meccanica quantistica.

Che cosa si intende per Theory of Everything, la Teoria del Tutto che dà il titolo al film sulla vita di Hawking?
Questa espressione nasce sul terreno della fisica teorica contemporanea, in particolare dal lavoro di alcuni scienziati (fra i quali Hawking) che sono partiti dall’ipotesi che sia possibile formulare una teoria fisica assolutamente generale. Una teoria simile dovrebbe, in via di principio, permettere di calcolare qualsiasi processo naturale e prevedere in ogni dettaglio l’evoluzione dell’Universo a partire dalle sue condizioni iniziali.
Se esistesse una valida Teoria del Tutto, e se potessimo scrivere e risolvere le sue equazioni fondamentali, allora, disponendo di sufficiente tempo e potenza di calcolo, saremmo in grado di ricavare dalla conoscenza dello stato attuale dell’Universo tanto il suo passato quanto il suo futuro. Ogni singolo episodio della storia del mondo sarebbe contenuto implicitamente in quelle equazioni.
Hawking si è in passato dichiarato convinto che una Theory of Everything (ToE) esista, e che lo sforzo di unificare la Relatività Generale, la Meccanica Quantistica e il Modello Standard delle particelle elementari dovrà condurre a essa. Per gli scienziati che condividono questa visione del mondo, il candidato più promettente al rango di ToE è la teoria delle stringhe, che ipotizza che l’Universo abbia un numero di dimensioni molto maggiore di quelle che percepiamo, almeno dieci, e che i suoi costituenti fondamentali siano microscopi stringhe o membrane capaci di vibrare a frequenze inimmaginabilmente alte.
La teoria della stringhe non è comunque l’unica possibile teoria del tutto oggi allo studio. Inoltre, non tutti i fisici teorici e i cosmologi sono convinti che una ToE esista. Alcuni autori, come Lee Smolin e Philip Anderson, hanno contestato questa ipotesi. E, per quanto se ne sa, lo stesso Hawking oggi è convinto che una Theory of Everything sia impossibile. Ma questa non sarebbe la prima volta che Hawking cambia idea, perciò sarà più prudente non perderlo di vista…

Le domande fondamentali sulla natura e sull’evoluzione dell’Universo che caratterizzano la ricerca scientifica di Stephen Hawking sono riassunte bene in una celebre TED Conference del 2008, che puoi guardare visitando questa pagina web.

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